《食品科学》：哈尔滨商业大学朱秀清教授等：改良剂对高水分挤压植物蛋白产物品质调控的研究进展

  高水分挤压加工技术被认为是21世纪新型食品绿色加工技术，在高温、高压、高剪切的协同作用下能够改善植物蛋白的功能特性（如提高蛋白消化率），并使植物蛋白发生组织化，形成类似肉类纤维状结构，即植物肉。

  目前高水分挤压植物蛋白制品仍存在纤维结构不明显、结构不一、色泽、风味需要改善的问题，尚未完全达到食品市场的消费需求。此外，多糖类、脂类、食品胶体等亦可影响植物蛋白功能结构的变化，从而改变高水分挤压产品的结构、口感、色泽等品质。然而，目前植物蛋白在高水分挤压过程中与改良剂的相互作用程度和改良产品的质量的机制尚不明晰。

  基于国内外不同研究者已报道的研究结果，哈尔滨商业大学食品工程学院的王逢秋节、栾滨羽、朱秀清*等人对不同改良剂与植物蛋白相互作用机制和影响最终挤压产品的构效关系进行综述；主要分析探讨改良剂对高水分挤压过程蛋白构象和特性及体系水分的影响，旨在为食品制造业中改良剂在高水分挤压加工中的应用提供理论参考。

  高水分挤压技术是在低水分挤压技术的基础上，通过添加冷却装备和增加物料的含水率（大于40%）发展而来，其挤出机主要是双螺杆型，普遍的使用同向旋转啮合型螺杆元件，起到输送物料的作用，由5个主要加工区段构成（图1），包括喂料区（此阶段仅涉及对原料蛋白的输送）、混合区（开始升温，温度在30～90 ℃，促进蛋白初步变性、链伸展等）、蒸煮区（温度最高，在130～150 ℃高温条件和剪切力作用下，原料各组分发生复杂的物理化学反应，形成“熔融体”，类似流体进一步传输）、模口区（该区段配备加压设备，提供高压环境继续推动物料挤出）、成型区（温度逐渐降低至30～60 ℃，挤出物受冷塑化、蛋白分子重排交联、发生相分离和层流现象，最终形成植物蛋白组织化产品）。

  高水分挤压植物蛋白产物品质受挤压机型（进料装置、螺杆类型、机筒构造、模头形状等）和挤压参数（螺杆转速、扭矩、挤压温度等）影响，而品质的评定指标多集中在质地口感、风味色泽、纤维化程度等方面。现有研究大部分聚焦于改变挤压装备和调节挤压参数进而影响高水分挤压植物蛋白产物的品质，但由于各企业、高校及科研院所所用设备不完全一样，工艺尚未统一，对最终制得产品的关联度还需深入研究；同时缺乏系统科学的综合品质权重指标对产品做定性分析。

  高水分挤压原料的选择是决定挤压产品组织化的重要的条件，通常根据不一样植物蛋白的性能优势和浓度确定。高水分挤压植物蛋白原料需具备一定溶解性、凝胶性、低致敏性、营养性，并可规模化生产，且满足高蛋白含量（质量分数50%～70%）。在早期的研究中，大豆蛋白是最主要的生产原料，由于其自身持水性强、凝胶化程度明显且生产加工简易（采用“碱溶酸沉法”即可制得），单一使用即能生产具有一定纤维结构的挤压产品，但其拟真程度不足以与具备纹理的肉制品相比。在此条件下，研究者发现谷朊粉作为小麦中提取的主要蛋白，其具备增强蛋白网络交联的功能特性，在低添加量（30%左右）下与大豆蛋白复合后挤压能够明显提升产品的质地、纤维化程度。然而，研究之后发现大豆蛋白含有致敏原，并具有豆腥味，部分限制了其在食品领域的应用。随着花了钱的人健康需求的提升，其他潜在的植物蛋白源逐渐被挖掘。

  花生作为重要的油类作物，必需氨基酸含量丰富，易于人体消化吸收，无豆腥味，是替代大豆蛋白的理想原料之一。为拓展其他植物蛋白在高水分挤压中的应用，研究根据结果得出羽扇豆蛋白也是一种潜在待开发的植物蛋白。然而，并非所有的植物蛋白都能应用于高水分挤压中，例如水溶性较差的大米蛋白在高水分挤压中的应用目前鲜有报道。此外，具有特殊风味的芝麻蛋白、能形成类似熟肉质地且必需氨基酸组成丰富的火麻仁蛋白、酶改性燕麦蛋白和适宜北欧种植的工业蛋白也应用于高水分挤压研究中。这些研究为高水分挤压植物蛋白仿肉制品的应用提供了理论基础。

  高水分挤压植物蛋白产物目前还没有规范性品质评价指标，常用产品质构特性（质地特性（硬度、弹性、剪切纵向强度、剪切横向强度、抗拉伸强度、咀嚼性等）、烹饪特性（蒸煮性、持水性和持油性）和纹理结构特性（宏观与微观结构））和人为评分（感官特性（色泽、多汁性、口感和风味））等评价分析。但质构特性分析对样品的制备有很高的要求，需要裁剪出特定的形状；微观结构的观察则需要对样品进行冷冻干燥处理，这在某些特定的程度上改变了原本结构，导致结果存在误差；人为评价虽能反映产品的品质，但由于个体差异性，只能代表部分评价员的主观意愿，不具有普遍代表性。因此，结合产物的水分迁移与分布、热力学特性（蛋白热变性温度、焓值等）、流变特性（储能模量、复合黏度等）以及生产产能多种指标进行互补表征，以熟肉（鸡胸肉）为空白对照（图2），依据权重指数制定综合评定方法能够更准确表征产品的品质。

  改良剂能够以不同功能特性（如转谷氨酰胺酶促进花生蛋白交联、海藻酸钠截留体系更多的水分等）应用在挤压食品中，特定类型的改良剂具有改善特定产品感官品质的作用。然而，应用于高水分挤压中的改良剂没明确分类，且缺乏对改良剂添加在高水分挤压植物蛋白中的影响评估。因此，需要系统分析改良剂对高水分挤压植物蛋白产物的影响。

  根据改良剂种类可将应用于高水分挤压植物蛋白中的改良剂分为蛋白类、脂类、碳水化合物类、酶类、食品胶体类（表1）。不同改良剂均存在优劣势，如添加特殊的比例的小麦蛋白虽然能够增强大豆蛋白挤压物的层状结构，但超过特殊的比例则有反作用；添加酶类需要仔细考虑蛋白交联程度、酶活力特性和是否适用于挤压机复杂工作环境等条件。因此，探寻适用高水分挤压植物蛋白改良剂种类的选取、添加量、作用机理以及多种条件复配的效果是目前改良挤压产物品质领域的研究方向和突破点。

  改良剂-植物蛋白复合体系经高水分挤压后，在挤压机内植物蛋白原有的功能特性和与水分相互作用程度均发生改变，从而对最终产品产生不同程度的影响（图3）。在操作参数固定的条件下，系统分析不一样的种类改良剂影响植物蛋白挤压体系的作用，可明晰改良剂对植物蛋白挤压体系的生产的基本工艺和选定标准，从而为改良剂改善高水分挤压植物蛋白产物品质特性提供理论依据。

  改良剂对蛋白质构象的影响机理通常涉及相互作用（包括共价相互作用，如转谷氨酰胺酶增强燕麦蛋白分子间二硫键的交联；非共价相互作用，如添加油通过增强疏水相互作用促进花生蛋白聚集）；以美拉德反应为代表的非酶促褐变（通过添加淀粉/多糖类与蛋白氨基发生相互作用）和其他变化（多为蛋白高级结构的改变，蛋白质网络骨架的形成与分布及微观结构的变化）。

  研究者提出蛋白分子可以通过不同水平的聚集形成有序稳定的组织架构。增强蛋白的相互作用、提高蛋白在挤压机内部的流变性能和化学键含量能够改善高水分挤压产物的组织化度、质地特性。相互作用的实质是构成蛋白分子间化学键的含量变化，主要以二硫键为代表的共价相互作用和以疏水键、氢键及离子键为代表的非共价相互作用共同支撑蛋白质的三维空间结构。研究根据结果得出不同改良剂需要结合自己特性进行使用，并需考虑挤压机的工作环境，最终达到增强挤压产品结构的效果。

  碳水化合物与蛋白结合能够发生典型的非酶促褐变反应——美拉德反应，淀粉在高温和高水分条件下会发生糊化现象，挤压产物最直观的感官变化表现为色泽和风味的改变，并显著影响蛋白纤维结构的形成，因此，添加此类改良剂时需要将其比例控制在10%以下。此外，可通过添加改良剂增强在挤压过程中暴露的植物蛋白分子相互作用，如多糖，从而改善蛋白网络结构的形成。研究表明，多糖-蛋白质在高温下会发生更强的相互作用，导致多糖-蛋白相的热不相容性降低，网络结构间距缩小，从而使纤维强度增强，组织化度降低。添加适量淀粉/多糖有利于形成更稳定紧密的蛋白网络结构和控制美拉德反应程度（使产物与熟肉的外观色泽相接近），从而满足消费市场的对感官品质的需求。

  Wittek等提出多相体系是解释高水分挤压植物蛋白纤维化结构的主要理论之一。多元成分在形成熔体时因流变特性的差异会产生不同的结构，通过添加脂类能够降低物料与挤压机内部的摩擦力强度，改善植物蛋白在挤压过程的流动性，从而确保更稳定的挤压产出。除了在高水分挤压工艺流程直接添加液态油与原料蛋白复合外，通过添加乳化剂（增强蛋白质-脂类的相互作用，提升复合物的机械性能）或脂溶性成分（进行风味包埋）也能改善挤出物品质；但在高水分挤压植物蛋白中，脂类物质的添加量一般不能超过10%，过多的脂类会对挤出物产生负面影响，如阻碍蛋白聚集、发生脂肪氧化导致其分解为低链物（可能聚合形成多聚体）或生成对身体有害的过氧化物等。

  植物蛋白是一类由多种氨基酸构成的复杂有机大分子物质，在高温、高压和高剪切作用下会发生变性和与其他成分相互作用，通常会导致其原有的蛋白功能性质如凝胶性、溶解性、起泡性、乳化性和热特性等发生改变。研究根据结果得出，添加能够改善蛋白功能结构的食品胶体（如增强蛋白持水能力和促进蛋白聚集）是当前高水分挤压植物蛋白产品改良的优选方案之一。

  水作为高水分挤压加工技术中参与诱导植物蛋白构象和功能性质改变的载体，具有影响物料流速、降低玻璃化转变温度、减少挤压机内部摩擦和传递热等作用。在高水分挤压过程中，水分分布在不同组分中的差异导致物料在挤压机内部的流变性质发生改变，并且挤压原料是以具备热力学不相容特性的植物蛋白为主，尤其是在混合蛋白共存的情况下，水分分布会直接影响最终产品的机械性能如蛋白网络结构、最大剪切应力等。水分分布在多相间的差异导致富水域和贫水域的体积分数的改变，可能会对挤出物的流动性产生一定的影响。因此选用能够调控植物蛋白水分状态（自由水与结合水比例）的改良剂，如食品胶体类（海藻酸钠、羧甲基纤维素钠等）、碳水化合物类（可溶性膳食纤维、黄原胶等）能够有很大效果预防水分挥发，调控水分均匀分布并降低水分损失，从而获得更好的高水分挤压制品。

  高水分挤压植物蛋白技术是当前食品领域的热门研究之一，但消费市场中高水分挤压植物蛋白食品较少以及现有研究均表明高水分挤压植物蛋白产品仍存在一定缺陷，如产品易失水、组织化纹理尚未完全达到类似熟肉状态、产品生产不稳定、功能单一等。目前，高水分挤压植物蛋白产品的质量的评价方法以质构分析、感官评价和纤维化度分析等为主。然而，最大限度地考虑产品的理化性质能够得到更全面的评价效果。为提升高水分挤压植物蛋白产品的品质，能采用添加改良剂的策略。同时，还亟需建立一套系统的评价挤出物品质的方法。改良剂对植物蛋白和水分的作用会引起二硫键、疏水键和氢键、蛋白空间构象、蛋白功能性质（凝胶性、乳化性、疏水性等）和水分分布发生改变。此外，高水分挤压产品会受到操作参数的影响，由于挤压机目前尚未达到完全可视化，现有理论仍不足以阐释在高水分挤压过程中的部分物理化学现象，仍需要深入研究挤压加工对物料的变化机理，以期促进产品的质量提升。当前关于改良剂对高水分挤压植物蛋白的研究较少，由于不一样的种类改良剂的影响作用不同，可提供不同的改良效果，今后应进一步研究：1）改良剂在高水分挤压植物蛋白的复配使用以及对产品的质量的影响；2）高水分挤压植物蛋白产品的质量的评价方法还需要结合流变特性、热力学特性等多种指标联合表征，并出台规范的评价准则；3）通过模拟挤压工作的复杂环境（机械相互作用和操作参数）对改良剂-植物蛋白构象和功能性的改变机理进行深入研究。

  本文《改良剂对高水分挤压植物蛋白产物品质调控的研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷19期350-358页. 作者：王逢秋节，栾滨羽，高扬，谷雪莲，朱颖，黄雨洋，朱秀清. DOI:10.7506/spkx0801-001. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

  实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

  为进一步促进未来食品科学的发展，全面践行“大食物观”的指导思想，持续提升食品科学技术创新和战略安全。由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，北京工商大学食品与健康学院、北京联合大学生物化学工程学院、河北农业大学食品科技学院、西华大学食品与生物工程学院、大连民族大学生命科学学院、齐齐哈尔大学食品与生物工程学院、河北科技大学食品与生物学院共同主办，北京盈盛恒泰科技有限责任公司、古井集团等企业赞助的“第一届大食物观·未来食品科学技术创新国际研讨会”即将于 2024年5月16-17日 在 中国 北京 召开。

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